УЗЕЛ КАЧАНИЯ КАМЕРЫ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ДОЖИГАНИЕМ Российский патент 2000 года по МПК F02K9/66 

Изобретение относится к области ракетостроения, в частности к узлу качания камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) с дожиганием, и может быть использовано в системах трубопроводов, работающих в условиях высоких температур и высоких давлениях.

Известны как газодинамические, так и механические способы и средства воздействия на струю газа, истекающую из сопла ракетного двигателя, с целью создания управляющих моментов для поворота ракеты в 3-х плоскостях - тангажу, рысканию и крену.

Настоящее изобретение относится к механическим средствам, обеспечивающим создание управляющих моментов на ракету в полете.

К известным механическим средствам и способам управления полетом ракеты путем воздействия на струю газа относятся, в частности, следующие.

Установка двигателя с возможностью его качания в двух взаимно перпендикулярных плоскостях ("Конструкция и проектирование ЖРД" под ред. проф. Г. Г. Гахуна, М.: Машиностроение, 1989 г., стр. 355, рис. 14.3.).

К ограничениям данного технического решения относится прежде всего размещение шарнира между силовой рамой и двигателем и соответственно необходимость обеспечения при воздействии на газовую струю поворота всего двигателя, что увеличивает массу рулевых приводов и затрудняет управление полетом в режиме стабилизации ракеты. Кроме того, невозможно разгрузить шарнир силой тяги, поскольку шарнир установлен между рамой и двигателем.

Установка камеры с возможностью ее качания в карданном подвесе ("Конструкция и проектирование ЖРД" под ред. проф. Г.Г. Гахуна, М.: Машиностроение, 1989 г., стр.374, рис. 14.10.).

К недостаткам известного технического решения относятся значительная масса карданного узла и подшипникового узла, т.к. они воспринимают полную тягу камеры двигателя и невозможность разгрузки этих узлов.

Установка камеры с возможностью ее качания в одной плоскости на подшипниковом узле относительно неподвижно закрепленного патрубка, подводящего один из компонентов топлива (GB, A, 1008156).

К ограничениям третьего технического решения относятся необходимость точной сборки и регулировки положения опор подшипниковых узлов для получения требуемой соосности и равномерности передачи тяги на силовую раму, а также возможность поворота камеры только в одной плоскости, что ограничивает ее применение в однокамерных двигателях.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является узел качания камеры жидкостного ракетного двигателя с дожиганием, включающий камеру, установленную на карданном подвесе, и сильфонный узел ("Конструкция и проектирование ЖРД" под ред. проф. Г.Г. Гахуна, М.: Машиностроение, 1989 г., стр.375, рис. 14.11.).

Известное техническое решение обеспечивает качание камеры в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Вместе с тем, данное техническое решение в том виде, в каком оно представлено в указанном выше источнике информации не имеет средств, обеспечивающих работоспособность сильфонного узла в среде окислительного высокотемпературного газа высокого давления, средств, обеспечивающих разгрузку подшипниковых опор кардана, а также средств, обеспечивающих устойчивость оболочки сильфона при изгибе его на значительный угол, например в пределах 10 - 12^o.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка узла качания камеры ЖРД с дожиганием, позволяющего обеспечить работоспособность сильфонного узла в среде окислительного высокотемпературного газа (t = 400 - 800^oC) высокого давления (P до 600 кгс/см²), повысить устойчивость сильфона при повороте противоположных частей узла качания на угол до 12^o, разгрузить подшипниковые узлы кардана и таким образом повысить технико-эксплуатационные характеристики узла качания.

Сущность изобретения заключается в том, что в узел качания камеры жидкостного ракетного двигателя с дожиганием, включающий камеру, установленную на карданном навесе, и сильфонный узел, дополнительно введены опорные кольца, одно из которых предназначено для герметичного соединения сильфонного узла с газоводом, а другое - для герметичного соединения сильфонного узла с камерой, сильфонный узел содержит сильфон в виде гофрированной оболочки, установленный соосно между опорными кольцами, защитные силовые кольца, установленные во впадинах наружных гофр сильфона, карданное кольцо, внутри которого расположен сильфон и которое через шарниры соединено силовыми кронштейнами с опорными кольцами.

Дополнительно введен также экран, установленный внутри сильфона и выполненный из двух оболочек, каждая из которых представляет собой тело вращения и консольно прикреплена соответственно к одному из упомянутых опорных колец, а свободные концы упомянутых оболочек телескопически установлены одна в другую с зазором между ними;
- камера охлаждения сильфона выполнена между упомянутыми экраном и сильфоном и сообщена через упомянутый зазор с внутренней полостью экрана;
- расходные элементы выполнены в упомянутых опорных кольцах и предназначены для их сообщения с одной стороны с магистралью подвода охлажденного рабочего тела, а с другой - с упомянутой камерой охлаждения сильфона;
- кожух установлен с натягом снаружи упомянутых защитных колец и выполнен в виде металлической цилиндрической спирали, концы которой соединены с упомянутыми опорными кольцами.

Возможны дополнительные варианты выполнения узла, в которых целесообразно, чтобы:
- средний диаметр DC сильфона был выбран из соотношения

где R - сила тяги камеры двигателя;
P - давление турбинного газа.

- свободный конец одной из упомянутых оболочек экрана выполнен в виде ниппеля со сферическим концом, а другой - в виде цилиндрической поверхности;
- центр сферы ниппеля расположен на оси качания камеры жидкостного ракетного двигателя;
- зазор между оболочками внутреннего экрана имеет величину, определяемую необходимым расходом охлаждающего рабочего тела;
- кожух выполнен многослойным, а каждый слой - в виде металлической цилиндрической спирали;
- смежные витки металлической цилиндрической спирали многослойного кожуха навиты в противоположных направлениях;
- в качестве охлаждающего рабочего тела применяют один из компонентов топлива.

Средства, обеспечивающие решение поставленной задачи, состоят в том, что в известном устройстве, включающем сильфонный узел и карданный подвес, обеспечивающий качание камеры в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, сильфон выполнен из двух конструктивных деталей, наружной из которых является непосредственно сильфон, в виде гофрированной оболочки, а внутренняя представляет собой две входящие друг в друга с кольцевым зазором оболочки, причем полость между указанными деталями соединена с магистралью подвода охлаждающего рабочего тела, а через зазор между оболочками - с внутренней полостью сильфонного узла.

При этом средний диаметр D_с сильфона может быть выбран исходя из следующего соотношения:
,
где R - сила тяги камеры сгорания;
P - давление компонента топлива в сильфоне.

Другой отличительной особенностью данного устройства является выполнение сильфона многослойным и применение силовых защитных колец, вставленных между гофрами сильфона. Кроме того, снаружи указанных защитных колец размещен плотно прилегающий к ним кожух, выполненный из одного или нескольких слоев металлических цилиндрических спиралей, соединенных с опорными кольцами, причем смежные слои кожуха плотно прилегают друг к другу, а их витки могут быть навиты в противоположных направлениях.

Следующим отличием данного устройства является выполнение свободного конца одной из оболочек, образующих экран, в виде сферического ниппеля, центр сферы которого расположен на оси качания камеры. Причем величина зазора между сферическим участком одной из оболочек и цилиндрическим участком другой оболочки имеет значение, определяемое необходимым расходом охлаждающего рабочего тела. В качестве охлаждающего рабочего тела применяют жидкий компонент топлива, в частности окислитель.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на чертежи.

На фиг.1 изображен узел качания, установленный в газоводе между выходом из турбины и входом в смесительную головку камеры сгорания;
на фиг. 2 - конструкция узла качания.

Вид А на фиг. 2 поясняет расположение расходных элементов.

Турбонасосный агрегат 1 (фиг. 1) неподвижно установлен на раме 2, на которой с помощью карданного подвеса 3 установлена камера сгорания двигателя 4.

Газовод 5 одним концом соединен с сильфонным узлом 6, соосно связанным с камерой сгорания 4, а другим концом соединен с выходом из турбины 7.

Между силовой рамой 2 и камерой сгорания 4 в 2-х взаимно перпендикулярных плоскостях установлены рулевые приводы 8.

Установка соосно соединенного с камерой сгорания сильфонного узла 6 в магистрали турбинного газа высокого давления позволяет разгрузить карданную подвеску 3 камеры сгорания 4 на основном режиме работы двигателя путем подбора среднего диаметра сильфона таким образом, чтобы растягивающие силы внутреннего давления турбинного газа соответствовали сжимающей силе тяги камеры сгорания в соответствии с соотношением , где D_c - средний диаметр сильфона; P - давление турбинного газа; R - сила тяги камеры двигателя.

Узел качания (фиг. 2) состоит из опорных колец 9 и 10, которые соответственно герметично соединены с газоводом 5 (выход из турбины) и камерой сгорания 4 (фиг. 1), в которых находятся расходные элементы 11 и 12, показанные на виде А, фиг. 2. Сильфон 13 расположен внутри карданного кольца 14. Карданное кольцо 14 через шарниры 15, образующие две поворотные оси, соединено силовыми кронштейнами 16 и 17 с опорными кольцами 9 и 10. Внутри сильфона 13 имеются две оболочки 18 и 19, каждая из которых представляет собой тело вращения и консольно прикреплена соответственно к одному из упомянутых опорных колец, причем свободный конец оболочки 18 выполнен в виде ниппеля со сферическим концом 20 и установлен с зазором α в оболочке 19.

Центр сферы ниппеля со сферическим концом 20 расположен на оси качания камеры. Величина указанного зазора выбрана такой, чтобы обеспечить расход охлаждающего рабочего тела, в качестве которого используется один из компонентов топлива (например, окислитель), необходимый для надежного охлаждения сильфона 13.

Сильфон 13 выполнен многослойным и снабжен защитными кольцами 21, вставленными между гофрами 22 сильфона 13. Снаружи защитных колец 21 установлен плотно прилегающий к ним кожух 23, выполненный из одного или нескольких слоев цилиндрических спиралей 24, соединенных концами с опорными кольцами 9 и 10 сильфонного узла.

В конструкции сильфонного узла с кожухом, состоящим из нескольких слоев спиралей, смежные слои прилегают друг к другу, а их витки навиты в противоположных направлениях.

Устройство работает следующим образом.

Как и в известном устройстве, при работе двигателя турбинный газ через трубопровод 5 и сильфонный узел 6 подается в камеру сгорания 4, где дожигается и истекает через сопло (не показано), создавая силу тяги. Однако при выбранном согласно сказанному в тексте среднем диаметре сильфона сила тяги уравновешивает внутренние силы давления газа внутри сильфона и камера оказывается свободно подвешенной в пространстве.

В заявленном устройстве охлаждающее рабочее тело (в частности окислитель) до поступления турбинного газа в полость В сильфона через расходные элементы 11 и 12 поступает в кольцевую полость C, образованную сильфоном 13 и оболочками 18 и 19 защитного экрана. Это охлаждающее рабочее тело, охлаждая сильфон 13 через зазор α, поступает во внутреннюю полость B сильфонного узла. Зазор между оболочками внутреннего экрана выбирают из условия обеспечения необходимого расхода охлаждающего тела.

Применение в данной конструкции узла качания системы охлаждения сильфона, позволяет сохранить его прочностные свойства и тем самым повысить надежность работы этого узла.

Установка металлического силового кожуха в виде металлической цилиндрической спирали снаружи защитных колец 21 сильфона 13 повышает его прочностные свойства и в то же время ограничивает самопроизвольный изгиб сильфона 13 при повороте камеры двигателя на сравнительно большие углы (10 - 12^o), тем самым повышая его устойчивость.

Применение предлагаемого узла качания позволяет облегчить и упростить систему рулевых приводов и их питания, обеспечить управление вектором тяги ракеты в большом диапазоне управляющих усилий при поворотах камеры на требуемые (с точки зрения системы управления) углы.

Наиболее успешно предложенный узел качания камеры жидкостного ракетного двигателя с дожиганием может быть использован в двигателях средних и больших тяг, работающих в условиях высоких температур и при высоких давлениях.

Узел качания предназначен для камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя с дожиганием. Узел содержит сильфон с защитными кольцами, вставленными между гофрами сильфона. Опорные кольца герметично соединены с газоводом и камерой сгорания. Карданное кольцо расположено снаружи сильфона и через шарниры соединено силовыми кронштейнами с опорными кольцами. Внутри сильфона установлен экран, состоящий из двух телескопически вставленных с зазором одна в другую цилиндрических оболочек. Цилиндрические оболочки консольно крепятся к опорным кольцам, образуя камеру, которая через расходные элементы, выполненные в опорных кольцах, соединена с магистралью подвода охлаждающего рабочего тела, а через зазор между оболочками - с полостью сильфонного узла. Снаружи защитных колец установлен прилегающий к ним кожух, выполненный в виде металлической цилиндрической спирали, концы которой соединены с опорными кольцами. Такое выполнение узла качания позволит облегчить и упростить систему рулевых приводов и их питания, обеспечить управление вектором тяги ракеты в большом диапазоне управляющих усилий при поворотах камеры на требуемые углы. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Узел качания камеры жидкостного ракетного двигателя с дожиганием, включающий камеру, установленную на карданном подвесе, и сильфонный узел, отличающийся тем, что в него дополнительно введены два опорных кольца, одно из которых предназначено для герметичного соединения с газоводом, а второе - с камерой сгорания, сильфонный узел содержит сильфон в виде гофрированной оболочки, установленный соосно между упомянутыми опорными кольцами, во впадинах наружных гофр упомянутого сильфона установлены защитные силовые кольца, сильфон расположен внутри карданного кольца, которое через шарниры соединено силовыми кронштейнами с упомянутыми опорными кольцами, дополнительно введены экран, установленный внутри сильфона и выполненный из двух оболочек, каждая из которых представляет собой тело вращения и консольно прикреплена соответственно к одному из опорных колец, а свободные концы оболочек телескопически установлены одна в другую с зазором между ними, камера охлаждения сильфона, выполненная между упомянутыми экраном и сильфоном и сообщаемая через упомянутый зазор с внутренней полостью экрана, расходные элементы, выполненные в упомянутых опорных кольцах и предназначенные для их сообщения с одной стороны с магистралью подвода охлаждающего рабочего тела, а с другой - с камерой охлаждения сильфона, кожух, установленный с натягом снаружи защитных колец и выполненный в виде металлической цилиндрической спирали, концы которой соединены с упомянутыми опорными кольцами. 2. Узел качания по п.1, отличающийся тем, что средний диаметр D_c сильфона выбран из следующего соотношения:

где R - сила тяги камеры двигателя;
Р - давление турбинного газа. 3. Узел качания по п.1, отличающийся тем, что свободный конец одной из оболочек экрана выполнен в виде ниппеля со сферическим концом. 4. Узел качания по п.3, отличающийся тем, что центр сферы ниппеля со сферическим концом расположен на оси качания камеры жидкостного ракетного двигателя. 5. Узел качания по п.1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения постоянства охлаждения сильфона, при поворотах узла качания гарантирован зазор между оболочками внутреннего экрана, обеспечивающий необходимый расход охлаждающего рабочего тела. 6. Узел качания по п.1, отличающийся тем, что упомянутый кожух выполнен многослойным, а каждый слой выполнен из металлической цилиндрической спирали. 7. Узел качания по п.6, отличающийся тем, что смежные витки спирали многослойного кожуха навиты в противоположных направлениях. 8. Узел качания по п.1, отличающийся тем, что в качестве охлаждающего рабочего тела применяют один из компонентов топлива.